Attitude nonlinear predictive control of an under actuated spacecraft

Navabi, Mohammad; Zarei, Pouria

doi:10.22034/jsst.2021.1304

Attitude nonlinear predictive control of an under actuated spacecraft

Document Type : Original Research Paper

Authors

Mohammad Navabi ¹

Pouria Zarei ²

¹ Associate Professor, Faculty of New Technologies Engineering, Shahid Beheshti University

² Faculty of New Technologies, Engineering. Shahid Beheshti University, Tehran, Iran

10.22034/jsst.2021.1304

Abstract

The use of four reaction wheels to control the three-axis attitude of the spacecraft, considering its mechanical performance and the possibility of its failure, is a practical solution in the face of a defect in one of the wheels. In this article, the optimal control of the spacecraft, which has four reaction wheels, is investigated. Controlling the attitude of a spacecraft with just two reaction wheels is a significant issue that conventional controllers are not able to do. Therefore, the use of nonlinear model-based predictive controller is used to control the attitude of this spacecraft and compared with optimal nonlinear control in a discrete-time comparison, which satisfies the acceptable results.

Keywords

Control of Spacecraft

Nonlinear predictive controller

Reaction wheels

Operator defect

Sub-stimulation system

20.1001.1.20084560.1400.14.4.8.1

Subjects

Space subsystems design: (navigation, control, structure and…)

Article Title Persian

کنترل پیش‌بین غیرخطی وضعیت فضاپیما با وجود نقص دو چرخ عکس‌العملی دارای زاویه‌ی نصب

Authors Persian

محمد نوابی ¹

پوریا زارعی ²

¹ دانشیار، دانشکده فناوری های نوین، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران

² دانشکده فناوری های نوین، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران

Abstract Persian

کنترل وضعیت فضاپیمای فعال در مدار با استفاده از عملگرهای چرخ عکس‌العملی به دلیل برتری‌های خاص نسبت به دیگر عملگرها انتخاب مناسب‌تری است. با توجه به عملکرد مکانیکی این عملگر و احتمال خرابی آن، استفاده از چهار چرخ عکس‌العملی برای کنترل وضعیت سه محوره فضاپیما، راهکاری کاربردی در مواجهه با نقص یکی از چرخ‌ها است. در این مقاله به کنترل بهینه وضعیت فضاپیمایی پرداخته شده که دارای چهار چرخ عکس‌الملی است و کنترل وضعیت در صورت خرابی چرخ‌ها بررسی و به ترتیب با یک و دو چرخ از کارافتاده کنترل انجام شده است. کنترل وضعیت فضاپیما تنها با دوچرخ عکس‌العملی مسئله قابل توجهی است که کنترلرهای مرسوم قادر به پایدار کردن آن نمی‌باشند. بنابراین استفاده از الگوریتم کنترلی پیش‌بین مبتنی بر مدل به صورت غیرخطی که به نوعی کنترل بهینه ارزیابی می‌شود برای کنترل وضعیت این فضاپیما به صورت زمان گسسته استفاده شده که نتایج قابل استنادی را برآورده می‌کند.

Keywords Persian

کنترل وضعیت فضاپیما

کنترل پیش‌بین غیرخطی

چرخ عکس‌العملی

نقص عملگر

سیستم زیرتحریک

[1] J. K. Wayer, J.-F. Castet, and J. H. Saleh, "Spacecraft attitude control subsystem: Reliability, multi-state analyses, and comparative failure behavior in LEO and GEO," Acta Astronautica, vol. 85, pp. 83-92, 2013.

[2] J. H. Saleh and J.-F. Castet, Spacecraft reliability and multi-state failures: a statistical approach: John Wiley & Sons, 2011.

[3] M. Tafazoli, "A study of on-orbit spacecraft failures," Acta Astronautica, vol. 64, pp. 195-205, 2009.

[4] A. Rahimi, K. D. Kumar, and H. Alighanbari, "Fault isolation of reaction wheels for satellite attitude control," IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, vol. 56, pp. 610-629, 2019.

[5] M. Burakov, I. Krivolapchuk, V. Shishlakov, and D. Yakimovskii, "Fuzzy Control of Spacecraft Reaction Wheel," Gyroscopy and Navigation, vol. 10, pp. 339-345, 2019.

[6] E. Maani, H. Nejat Pishkenari, and Kosari, "Satellite 3Axis Attitude Control Using the Combination of Reaction Wheels and Thrusters," Journal of Space Science and Technology, vol. 11, pp. 63-71, 2018.

[7] P. Tsiotras and V. Doumtchenko, "Control of spacecraft subject to actuator failures: State-of-the-art and open problems," The Journal of the Astronautical Sciences, vol. 48, pp. 337-358, 2000.